脊椎腰骶关节的有限元模型及其有效性验证

为了研究人体脊椎腰骶关节的生物力学特性,本研究利用三维激光扫描技术测量了人体脊柱骨骼样品的外形结构,然后根据所测的点云坐标数据建立了一个详细的人体腰骶关节L5-S1的三维非线性有限元模型。同时利用可获得的实验研究结果对该模型进行了有效性验证。结果表明,在10Nm力矩作用下,有限元模型的前俯、后仰、左侧弯、右侧弯、轴向左回转和轴向右回转的变形角度分别为9.11°、7.33°、4.95°、5.35°、2.92°、3.03°。该有限元模型的建立为人体脊柱腰骶关节的生物力学分析及器械植入研究提供了更为详细准确的计算模型。     

建立基于映射的个性化颌面部六面体有限元模型

目的为患者建立个性化口腔颌面部整颌整形手术的六面体有限元网格模型。方法首先使用半自动方法构建标准颌面部软组织的高质量六面体有限元网格模型,然后采用一种基于映射的实例学习方法生成个性化患者的颌面部六面体网格模型。结果能够方便地生成几何形状与患者形态高度一致的个性化六面体网格模型,并尽可能保持体网格单元的角度和形状质量。结论新的六面体网格建模方法能为生物力学分析提供高质量的六面体有限元网格输入,在口腔颌面外科等多个学科均有很好的推广应用前景。     

下颈椎全脊椎切除术后两种内固定重建方法的有限元分析

研究下颈椎C5椎体全脊椎切除术(TS)之后,前后路不同联合内固定重建方法对颈椎稳定性的影响。基于CT图像建立下颈椎C3-C7节段完整无损模型,在无损模型基础上,建立C5全脊椎切除术后两种内固定重建模型：一为钛网重建+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉模型(TM+AP+SPS);二为钛网重建+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉模型(TM+AP+DPS)。对模型分别施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m的扭矩,分析两种模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转等工况下的关节活动度（ROM）以及钛网、钢板、椎弓根螺钉的应力分布情况。结果表明,重建节段ROM随着扭矩的增大而增加,呈现出非线性的趋势,TM+AP+SPS模型的增加幅度较大。1.0 N·m工况下,两种模型重建节段ROM均减少83%以上;TM+AP+SPS模型在后伸、侧弯和扭转时,邻近节段的ROM均增加11%以上,C6-C7节段的ROM在扭转时增加41.79%,TM+AP+DPS模型的邻近节段ROM则显著降低。TM+AP+SPS模型和TM+AP+DPS模型中钛网应力分别集中于受压侧和后方。TM+AP+SPS模型的邻近节段有较大的代偿活动,TM+AP+DPS模型各节段ROM均大幅度减小,TM+AP+DPS模型的稳定性更好。     

颈椎有限元模型的应用进展

有限元分析法（FEA）是一种在生物力学领域广泛应用的研究方法.近年来,颈椎有限元模型已被广泛应用于研究颈椎损伤、颈椎退变及模拟各种颈椎手术,已日趋完善.回顾了颈椎有限元模型的发展,介绍了颈椎有限元建模与分析在颈椎损伤、人工椎间盘置换、椎间植骨融合、颈椎退变及颈椎失稳等方面的应用进展,展望了未来的发展趋势.     

半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形有限元模拟分析

背景：对于半脊椎切除后长、短节段和前、后路固定矫形的选择,主要根据医生的临床经验。国内外对于半脊椎所致先天性脊柱侧凸的建模和研究尚未见报道。 目的：运用有限元法模拟半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形,分析半脊椎切除后不同固定方式的矫形效果和生物力学特点。 方法：通过有限元软件,利用基于CT图像建立的个体化半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型,仿真模拟半脊椎切除、前路或后路螺钉固定三维矫形技术,输出选择前路或后路固定矫形,以及不同节段固定的矫形结果。 结果与结论：顺利完成了模拟操作,半脊椎切除后,后路固定矫形效果好于前路固定矫形,特别是对后凸角的矫正,矫正率均大于50%;后路短节段固定矫形与长节段固定矫形在对脊柱侧后凸矫形效果上相差不大,差异值小于5°。针对该患者的个体化有限元模拟试验表明,在半脊椎切除后,后路短节段固定矫形为较好的治疗方案,能减少固定节段,并可获得满意的矫正率。     

颈胸段脊柱全脊椎切除术后不同重建方式的有限元分析

目的 基于CT图像对人体颈胸段脊柱C5~T2节段进行三维模型重建,采用有限元方法探究椎弓根螺钉、钛网和钢板等不同内固定器械组合对颈胸段脊柱全脊椎切除（total spondylectomy, TS）术后稳定性的影响及内固定器械的应力分布。方法 建立颈胸段脊柱C5~T2节段健康完整模型,并通过与体外实验关节活动度（range of motion, ROM）结果对比验证模型有效性。在健康完整模型基础上,建立颈椎C7节段行TS后的4种重建模型：TM+AP+DPS模型（钛网+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,TM+AP+SPS模型（钛网+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉固定）;TM+DPS模型（钛网+后路双节段椎弓根螺钉固定）;AP+DPS模型（前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,并分析各重建模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转时的ROM及内固定器械的应力分布情况。结果 TS术后重建会大幅度降低重建节段ROM,模型的重建节段ROM均下降超过93%,后路单节段螺钉固定时,钛网出现应力集中现象。结论 4种模型重建节段固定效果相近,后路双节段螺钉固定的3种模型中内固定器械应力分布较为平均,模型整体稳定性优于后路单节段固定模型。     

三种三维有限元建模方法在跟骨模型建立中的应用和比较

目的分析和比较不同三维有限元建模方法在生物组织模型建立过程中的应用。方法基于同组的序列CT图像,使用直接法、间接法和两种方法相结合的思路分别建立跟骨的三维有限元模型,并对3种模型在相同条件下进行简单加载计算。结果直接建模法生成的跟骨三维有限元模型具有31386个节点,115646个单元,间接法生成的跟骨三维有限元模型具有22832个节点和15403个单元。直接与问接结合的方法所得模型包括13050个节点和46654个单元。3个模型计算结果表现为应力分布规律基本相同,局部有差异,并在应力大小上有较大差异。结论模型表面的粗糙程度和材质赋予的形式对模型的计算结果有较大影响。不同建模方法具有不同的适用领域,为满足医学研究需求,认为两种方法的相互借鉴将推动计算生物力学的发展。     

建立全腰椎有限元接触模型

目的 应用自编软件和HyperMesh软件并结合接触理论建立全腰椎有限元模型。方法 以正常自愿者全腰椎节段螺旋CT扫描图像的基础,利用自编软件和HyperMesh软件,生成全椎体的骨性有限元模型,补充建立终板、关节突软骨、椎间盘及韧带等结构,建立全腰椎有限元分析模型。引入接触理论处理上下关节突之间的面面接触问题。结果所建模型几何外型较真实,组织结构更完整,外观表现更细腻。生理载荷下的模拟结果与体外生物力学实验结果更加吻合。结论 利用自编软件和HyperMesh软件可以提高有限元模型建立的速度和准确度,引入接触理论可提高有限元模型的可靠性和真实性。     

有限元方法在脑震荡领域的热点：脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进

背景：由身体接触性运动或交通事故造成的脑震荡远比人们想象的更为严重与常见,近年来引起了媒体、医学界及体育界的广泛关注与高度重视。目的：采用文献计量学方法对有限元方法在脑震荡领域的研究热点与趋势进行可视化分析,从而为中国在该领域的研究提供一定的参考。方法：基于Web of Science核心集数据库进行文献检索,检索主题词策略为(TS=(Concussion)) AND TS=(Finite element),利用CiteSpace 6.2.R4可视化工具对纳入文献的作者、国家、机构、关键词及被引文献等进行可视化分析。结果与结论：(1)共计纳入215篇文献,发文量与被引量总体上呈上升趋势;学科分布涉及生物医学工程、生物物理学、运动科学、临床神经学及神经科学等学科,呈现多学科交叉融合的趋势;发文量最多的作者是来自爱尔兰都柏林大学的Gilchrist M,发文量最多的机构是渥太华大学,发文量最多的国家是美国。(2)通过关键词分析发现研究的热点聚焦于脑损伤模型的建立用来模拟和预测脑震荡的损伤;脑震荡损伤机制的解析;防护设备和装置的优化设计。(3)通过文献共被引分析发现脑损伤的预测与评估是该领域...     

人体左心室复合材料有限元机械模型的建立

人体心脏通过电兴奋引起的心肌收缩实现泵血功能，而心肌的力学特性高度依赖于肌纤维旋向。根据肌纤维结构和复合材料理论建立了人体左心室的三维有限元机械模型，并讨论了心电兴奋力及后负荷的计算问题，最后仿真研究了在正常心脏兴奋传播过程中左心室在载荷作用下的力学响应，并与磁标记的MR成像结果及其他有关模型进行了比较。研究结果表明该模型可用于探讨心脏的机械功能和生理病理机制，为建立具有电生理及力学性能的虚拟心脏奠定了基础。     

后碰撞中人体颈椎骨的有限元分析

对建立并验证的全颈椎有限元模型进行仿真以分析后碰撞中颈部的响应及其损伤机制.模型包括C1-T1的8块椎骨以及椎间盘、韧带和肌肉等软组织,共35 042个节点和22 618个单元.运用后碰撞志愿者实验数据对模型进行仿真,得到各椎骨间相对转角、各椎骨应力、应变曲线及应力云图.颈部S形曲线、C形曲线得到体现;最大应力、应变主要发生在颈部过度伸展过程中,上位颈椎中C2应力、应变较大,而下位颈椎中T1数值最大,受力较大值发生在椎体上下表面及其关节突关节面上,易产生多部位骨折.分析结果可为人体颈部损伤的预防、诊断和治疗提供理论依据.     

Assessment of Carbon Fibre Composite Fracture Fixation Plate Using Finite Element Analysis

In the internal fixation of fractured bone by means of bone-plates fastened to the bone on its tensile surface, an on-going concern has been the excessive stress shielding of the bone by the excessively-stiff stainless-steel plate. The compressive stress shielding at the fracture-interface immediately after fracture-fixation delays callus formation and bone healing. Likewise, the tensile stress shielding in the layer of bone underneath the plate can cause osteoporosis and decrease in tensile strength of this layer.In this study a novel forearm internal fracture fixation plate made from short carbon fibre reinforced plastic (CFRP) was used in an attempt to address the problem. Accordingly, it has been possible to analyse the stress distribution in the composite plates using finite-element modelling.A three-dimensional, quarter-symmetric finite element model was generated for the plate system. The stress state in the underlying bone was examined for several loading conditions. Based on the analytical results the composite plate system is likely to reduce stress-shielding effects at the fracture site when subjected to bending and torsional loads. The design of the plate was further optimised by reducing the width around the innermost holes.     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。     

离体胫骨的有限元分析

应力骨折是士兵、运动员中很常见的骨损伤，被认为是疲劳骨折。首先测量了士兵在齐步、正步、跑步三种步态下承受的地面载荷，然后用有限元方法分析了在这几种步态下胫骨中的应力分布。结果表明：士兵三种步态下脚底的作用力从小到大依次为齐步，正步和跑步(例如，垂直作用力最大幅值分别为76kg，118kg和142kg)。在地面载荷作用下，胫骨中的应力分布是不均匀的。其最大值发生在膝下1／3处．正步和跑步时该处的应力水平分别为110MPa和115MPa。该处正是胫骨骨折临床最常见部位。这些结果给出了胫骨中的应力分布。证明了士兵胫骨应力骨折确是与其中应力水平密切相关的，载荷应力大者正是应力骨折发病率高者。     

骶骨部分切除术后骨盆重建的三维有限元分析

目的　研究骶骨部分切除术后骨盆重建的生物力学特征。方法　分别构建完整骨盆。经S1、S2之间施行骶骨部分切除术后的缺损骨盆和重建骨盆的三维有限元模型。模拟人体坐位时的负荷，研究3种模型的位移与应力分布变化。结果　得到了三个模型中骶岬前方参考点在垂直方向的位移值及整个模型和重建器械的应力分布情况。结论　骶髂关节部位的重建可以增强骶骨部分切除术后骨盆的稳定性，并改变骨盆应力分布，降低骶器关节应力峰值，减少术后骨盆破坏的风险。L5椎弓根螺钉与髂骨钉之间的钛棒发生断裂的风险较大，提示术中应当重视弯棒操作，避免钛棒过度成角，防止应力过度集中，减少断棒的危险。     

无支架心包二尖瓣的有限元分析

目的　通过无支架心包二尖瓣与有架三叶生物瓣对比，利用有限元法计算，观察在左心室舒张期瞬时跨瓣压差作用下的瓣叶静态应力分布。方法　采用八节点曲线薄壳单元，考虑大应变以及瓣叶闭合过程的接触，应用Newton-Raphson方法求解有限元非线性方程。结果　瓣膜开启状态下两种瓣膜应力水平均不高。在峰值跨瓣压差15.96 kPa作用下，无架心包二尖瓣第一主应力分布均匀，无明显应力集中、平均第一主应力为0.040~0.149 MPa；有架三叶瓣在临床上易发生撕裂的部位明显应力集中，最大第一主应力为2.352 MPa，平均第一主应力为0.223~0.724 MPa，明显高于无架心包二尖瓣。结论　(2)对于几何曲面形状不规则，高度接触的无支架心包二尖瓣，首次采用有限元方法进行应力计算是有效可行的；(2)本研究的有支架心包三叶瓣有限元模型得到的应力分布与临床结果一致；(3)无架心包二尖瓣较有架心包三叶瓣应力分布明显合理，有益于防止瓣叶撕裂和钙化、延长寿命。     

冠状动脉支架膨胀行为的有限元分析

冠状动脉支架作为经皮穿刺冠状动脉成形术中保持病变血管畅通的核心器件,其在手术过程中受球囊作用的扩张特性以及球囊撤出后的反弹行为对支架植入术的成功有着重要的影响。利用有限元的方法系统地研究了专利支架设计,其筋的尺寸变化和支架扩张尺度的不同对支架膨胀行为的影响。结果显示,增加支架筋的宽度或厚度提高了使支架迅速扩张所需的临界内压力,支架轴向长度的变化只与其结构和最终膨胀状态紧密相关。在结构一定的情况下,支架所用材料可能是影响支架反弹指标的主要因素。模型校核和SEM观察表明,有限元模拟可以在一定程度上替代支架原型测试工作。     

Three-Dimensional Finite Element Analysis of Residual Stress in Arteries

Calculation of residual stress in arteries, using the analytical approach has been quite valuable in our understanding of its critical role in vascular mechanics. Stresses are calculated at the central section of an infinitely long tube by imposing a constant axial stretch while deforming the artery from the stress-free state to its unloaded state. However, segments used to perform opening-angle measurements have finite lengths. Further, the stress-free artery configuration is assumed to be circular. Experiments show that they are slightly noncircular. The numerical approach to residual stress calculation can allow us to study both these issues. Using 3D cylindrical geometries and an isotropic material model, we investigated how segment length can affect residual stress calculations and identified the appropriate segment length for experiments. Further, we recorded and used the true noncircular stress-free state of an artery segment, computed the residual stress distribution, and compared it to that from a similar, but circular segment. Our findings suggest that segment length must be ten times the wall thickness for it to be "long" enough. We also found that the circularity assumption may be a reasonable approximation for typical arteries.     

L3-L5三维非线性有限元模型的建立及其临床意义

本研究选择一位32岁正常男性,用CT扫描的方法,借助CATIAV5和MSC.Marc/MSC.Mentat软件,建立正常人L3-L5的三维非线性有限元模型。计算了模型在10N·m纯力矩作用下脊柱功能单位的平均刚度,参照前人尸体标本生物力学测试结果,验证了模型的有效性。本模型可用于进一步的临床生物力学研究。